מהם המחסומים הטכניים של סיליקון קרביד?

הדור הראשון של חומרי מוליכים למחצה מיוצג על ידי סיליקון מסורתי (Si) וגרמניום (Ge), שהם הבסיס לייצור מעגלים משולבים. הם נמצאים בשימוש נרחב בטרנזיסטורים וגלאים במתח נמוך, בתדר נמוך ובצריכת הספק נמוכה. יותר מ-90% ממוצרי המוליכים למחצה עשויים מחומרים מבוססי סיליקון;
חומרי המוליכים למחצה מהדור השני מיוצגים על ידי גליום ארסניד (GaAs), אינדיום פוספיד (InP) וגליום פוספיד (GaP). בהשוואה להתקנים מבוססי סיליקון, יש להם תכונות אופטואלקטרוניות בתדר גבוה ומהירות גבוהה והם נמצאים בשימוש נרחב בתחומי האופטואלקטרוניקה והמיקרואלקטרוניקה.
הדור השלישי של חומרי מוליכים למחצה מיוצג על ידי חומרים מתפתחים כגון סיליקון קרביד (SiC), גליום ניטריד (GaN), תחמוצת אבץ (ZnO), יהלום (C) ואלומיניום ניטריד (AlN).

סיליקון קרבידהוא חומר בסיסי חשוב לפיתוח תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי. התקני כוח מסיליקון קרביד יכולים לעמוד ביעילות בדרישות היעילות הגבוהות, המזעור והמשקל של מערכות אלקטרוניות הספק בזכות עמידותם המצוינת למתח גבוה, עמידותם לטמפרטורה גבוהה, הפסד נמוך ותכונות אחרות.

בשל תכונותיו הפיזיקליות המעולות: פער אנרגיה גבוה (המתאים לשדה חשמלי פריצה גבוה וצפיפות הספק גבוהה), מוליכות חשמלית גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה, הוא צפוי להפוך לחומר הבסיסי הנפוץ ביותר לייצור שבבי מוליכים למחצה בעתיד. במיוחד בתחומי כלי רכב אנרגיה חדשים, ייצור חשמל פוטו-וולטאי, תחבורה רכבתית, רשתות חכמות ותחומים אחרים, יש לו יתרונות ברורים.

תהליך הייצור של SiC מחולק לשלושה שלבים עיקריים: גידול גביש יחיד של SiC, גידול שכבה אפיטקסיאלית וייצור התקנים, התואמים את ארבע החוליות העיקריות של השרשרת התעשייתית:מצע, אפיטקסיה, מכשירים ומודולים.

השיטה המרכזית לייצור מצעים משתמשת תחילה בשיטת סובלימציה פיזיקלית של אדים כדי לסובלים את האבקה בסביבת ואקום בטמפרטורה גבוהה, ולגדל גבישי סיליקון קרביד על פני גביש הזרע באמצעות בקרת שדה טמפרטורה. באמצעות פרוסת סיליקון קרביד כמצע, שקיעת אדים כימית משמשת להפקדת שכבה של גביש יחיד על הפרוסה ליצירת פרוסת אפיטקסיאלית. ביניהם, גידול שכבה אפיטקסיאלית של סיליקון קרביד על מצע סיליקון קרביד מוליך יכול להפוך להתקני כוח, המשמשים בעיקר בכלי רכב חשמליים, פוטו-וולטאיים ותחומים אחרים; גידול שכבה אפיטקסיאלית של גליום ניטריד על מצע מבודד למחצהמצע סיליקון קרבידניתן לייצר אותם גם למכשירי תדר רדיו, המשמשים בתקשורת 5G ובתחומים אחרים.

נכון לעכשיו, למצעי סיליקון קרביד יש את המחסומים הטכניים הגבוהים ביותר בשרשרת תעשיית הסיליקון קרביד, ומסעצרי סיליקון קרביד הם הקשים ביותר לייצור.

צוואר הבקבוק בייצור SiC לא נפתר לחלוטין, ואיכות עמודי הגביש של חומר הגלם אינה יציבה וקיימת בעיית תפוקה, מה שמוביל לעלות הגבוהה של התקני SiC. לוקח בממוצע רק 3 ימים לחומר סיליקון לגדול למוט גביש, אך למוט גביש מסיליקון קרביד לוקח שבוע. מוט גביש סיליקון כללי יכול לגדול לאורך של 200 ס"מ, אך מוט גביש מסיליקון קרביד יכול לגדול לאורך של 2 ס"מ בלבד. יתר על כן, SiC עצמו הוא חומר קשה ושביר, ופלים העשויים ממנו נוטים להתקלף בקצוות בעת חיתוך מכני מסורתי של ופלים, דבר המשפיע על תפוקת המוצר ואמינותו. מצעי SiC שונים מאוד ממטילי סיליקון מסורתיים, וכל דבר, החל מציוד, תהליכים, עיבוד ועד חיתוך, צריך להיות מפותח כדי להתמודד עם סיליקון קרביד.

שרשרת תעשיית הסיליקון קרביד מחולקת בעיקר לארבע חוליות עיקריות: מצע, אפיטקסיה, התקנים ויישומים. חומרי מצע הם הבסיס של שרשרת התעשייה, חומרים אפיטקסיים הם המפתח לייצור התקנים, התקנים הם הליבה של שרשרת התעשייה, ויישומים הם הכוח המניע לפיתוח תעשייתי. תעשיית הזרם משתמשת בחומרי גלם לייצור חומרי מצע באמצעות שיטות סובלימציה פיזיקלית של אדים ושיטות אחרות, ולאחר מכן משתמשת בשיטות שקיעת אדים כימיות ושיטות אחרות לגידול חומרים אפיטקסיים. תעשיית הזרם הביניים משתמשת בחומרים במעלה הזרם לייצור התקני תדר רדיו, התקני כוח והתקנים אחרים, אשר בסופו של דבר משמשים בתקשורת 5G במורד הזרם, כלי רכב חשמליים, תחבורה רכבתית וכו'. ביניהם, מצע ואפיטקסיה מהווים 60% מעלות שרשרת התעשייה והם הערך העיקרי של שרשרת התעשייה.

מצע SiC: גבישי SiC מיוצרים בדרך כלל בשיטת Lely. מוצרים בינלאומיים מרכזיים עוברים מ-4 אינץ' ל-6 אינץ', ופותחו מוצרי מצע מוליך בגודל 8 אינץ'. מצעים מקומיים הם בעיקר בגודל 4 אינץ'. מכיוון שניתן לשדרג ולשנות את קווי הייצור הקיימים של פרוסות סיליקון בגודל 6 אינץ' לייצור התקני SiC, נתח השוק הגבוה של מצעי SiC בגודל 6 אינץ' יישמר לאורך זמן.

תהליך ייצור מצע סיליקון קרביד הוא מורכב וקשה. מצע סיליקון קרביד הוא חומר גבישי יחיד המורכב משני יסודות: פחמן וסיליקון. כיום, התעשייה משתמשת בעיקר באבקת פחמן בעלת טוהר גבוה ואבקת סיליקון בעלת טוהר גבוה כחומרי גלם לסינתזת אבקת סיליקון קרביד. תחת שדה טמפרטורה מיוחד, שיטת PVT (שיטת העברת אדים פיזיקלית בוגרת) משמשת לגידול סיליקון קרביד בגדלים שונים בכבשן גידול גבישים. מטיל הגביש עובר עיבוד, חיתוך, טחינה, ליטוש, ניקוי ותהליכים מרובים נוספים כדי לייצר מצע סיליקון קרביד.